直流电动机调速计算机控制系统设计

1、2016届课程设计 直流电动机调速计算机控制系统课程设计说明书学生姓名 李真 学 号 5011212221 所属学院 信息工程学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 计算机16-2 指导教师 丛申 教师职称 讲师 摘 要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求

2、。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。本论文论述了单片机直流电机控制系统设计和实现方法。而我们组是进行分工来实现的，在主任务下分成各个小任务,我和其他两个伙伴负责PCB制板。接下来为大家介绍我们的主要工程及具体的PCB制板。1. 绪论1.1 直流电机的发展 直流电机问世已有一百四十多年的历史。在设计和制造技术上的进步,新材料、新技术的应用,整流电源的普及,促进了一般工业用直流电机的用途不断扩大,品种繁多。从小至数瓦,大到万余千瓦,正广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、船舶、机床制造、纺织印染等各个部门中,特别是近几年电子计算技术已广泛应用当今，自动化控制

3、系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用 ，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制:为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。 三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的

4、更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机、电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 随着微控制器尤其是脉宽调制 PWM 专门控制芯片的飞速发展, 其对电机控制方面的应用起了很重要的作用, 为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。本文对基于AT89S52单片机的直流电机 PWM

5、调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流 PWM调速系统的数学模型。用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以驱动芯片与一些外围电路。通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。直流电气传动系统

6、中需要有专门的可控直流电源。 随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。1.2 课题研究的目的及意义 直流电机因为具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使用。常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工作频率受电源频率的限制, 很难满足高精度的调速要求，不利于广泛推广。如何

7、才能使电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。2. 系统方案设计 主要内容：设计基于单片机的直流电机控制系统，采用PWM控制技术，利用H桥驱动控制直流电机的起停及调速问题，设计两个直流电机的硬件电路与控制程序。目标：通过键盘控制两个电机的起停、调速。2.1电机调速控制模块： 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二：采用继电器对

8、电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.2.1 PWM调速工作方式： 方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期

9、内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。 方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。2.2.2 PWM调脉宽方式： 调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。2.2.3 PWM软件实现方式：

10、 方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。2.3 PWM技术 PWM(PulseWidthModulation)控制脉冲宽度调制技术,通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。冲

11、量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异，如图2.1所示。2.1pwm原理面积相同形状不同冲量SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，如图2.2所示；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规律变化，如图2.2所示。2.2 pwm信号替代2.4 PWM的参数 1）占空比：输出的PWM中，高电平保持的时间与陔PWM的时钟

12、周期。2)分辨率：占空比最小能达到的值。如8位的PWM，理论上分辨率就是1：255(单斜率)，16位的PWM分辨率就是1：65535(单斜率)。3)频率：PWM输出频率为TC的时基频率2n，rl为脉宽调制方式的位数，即8或16。4)双斜率惮斜率。设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到8O这就是单斜率。设一个PWM从0计数到80，之后是从8O计数到0这是双斜率。双斜率的计数时间多了一倍，PWM输出的频率就慢了一半，分辨率却是l：(8O4-80)一1：160，提高了一倍。假设PWM是单斜率，设定最高计数是8O，我们再设定一个比较值是lO，那么TC从0计数到l0时(此时计数器继续在计数，直到计

13、数达到到设定值80)，单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0，这就是PWM的基本原理。2.5直流电机的能量转换和特性曲线 直流电机将电能，(电流I和电压u)转化为机械能(速度n。和转矩M)。其中损耗可分为摩擦损耗和热损耗(热损耗是由于线圈电阻R产生)。余下的转化为机械能几，如图2.1所示。因此电机的功率守恒可表述为: (2.1)更详细的叙述为： (2.2) 在这能量转化过程中，有两个特性参数是至关重要的，他们是速度常数。和转矩常数。速度常数是指速度n和线圈感应电压“树之间的关系，是指在忽略摩擦的情况下的每个单位电压下的速度变化。与速度是成正比的，公式如下: (2.3

14、)转矩常数所联系的是机械转矩M和电流I之间的关系，是指转矩和有效电流之比。公式如下: (2.4)速度常数。和转矩常数有如下关系: (2.5)如果用转矩M和转矩常数来表示电流，可得如下关系： (2.6)考虑到。和之间的关系，我们可将上式进一步化为: (2.7) 上式便是直流电机的转速、转矩、电阻、转矩常数和速度常数之间的关系。这里转矩单位是N.m;电流单位是A;速度单位是rpm;电压单位是V。直流电机可以运行在额定范围内的任何电压下，速度一转矩曲线表述的是在一恒定电压U下电机的机械表现，该曲线可由两点法给出:空载转速n。和堵转转矩(空载转速:电机在额定电压、空载的情况下的转速;堵转转矩:它是电机

15、在堵转条件下的转矩值，也叫起动转矩)，如图2.2所示。空载转速与堵转转矩将随着给定电压的改变而成线性关系。它相当于速度一转矩曲线在特性曲线上平移，如图2.2所示。空载转速与电压有如下关系: (2.8)速度一转矩曲线走势是由斜率来表述的，与电压无关要，它是一项体现电机性能的重参数，如下关系: (2.9)直流电机的速度与转矩间的关系可用下式表示: (2.10)转矩转速线性关系总 结 关于本设计的内容介绍完毕。此次设计对我可以说是从零开始，从资料的查找开始入手，潜心研究，确定了设计方案。接着绘制原理图、画PCB图、编写程序，虽然最终没有把全部的功能实现，但本人在过程之中收获了很多，学习到了很多与专业

16、有联系的实际知识。在此特别感谢指导老师丛申对我的指导以及同学给予的帮助。由于时间和个人能力的原因，整个系统综合起来的功能并没有实现，只能实现了各个模块的功能，还有许多不足以及可以扩展的地方。还望各位老师予以修正和修改。在此非常感谢指导老师的细心指导。本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。提高了理论水平和实际的动手能力，学会了解决问题的方法，激发了我们的探索精神。这样的课程设计是很好的锻炼机会,通过实验设计使我深入了解到课程设计在大学学习的重要性，也为大四后学期的毕业设计提供了宝贵的经验。通过这一

17、阶段的努力，我的论文终于完成了，感谢丛申老师的悉心教导，您的指点对我完成设计有很大的帮助，感谢您对我的指导以及鼓励。在这里也感谢各位在设计期间给予过我帮助的老师和同学，谢谢。参 考 文 献1.谢剑英。微型计算机控制技术（第3版）。北京：国防工业出版社，2001：133-156。2.胡汉才。单片机原理及其接口技术（第2版）。北京：清华大学出版社，2004：360-440。3.王立红。基于单片机的直流电机控制系统设计。工程技术,2006,(2):102-103。4.边春远，王志强。MCS-51单片机应用开发实用子程序,北京：人民邮电出版社，200595.沈红卫。基于单片机的智能系统设计与实现北京：电子工业出版社，2005。方荣惠，邓先明。电机原理及拖动基础。徐州：中国矿业大学出版社，2001:1-250。6.陈跃。电气工程专业毕业设计指南M. 北京: 中国水利水电出版社，2003：84-857.傅知兰。电力系统电气设备选择与实用计算M. 北京: 中国电力出版社，2004：1058.陈坚。电力电子学2版M北